(57)【要約】  プロセスガスの排出を抑制するように構成されたドライガスによるメカニカルシールシステムが提供される。メカニカルシールシステムは、タンデム式の第１および第２段のシールと、分離ガスの供給を入口から第１段のシールの連動部分を通ってプロセスキャビティ内へ誘導し、入口から第２段のシールの連動部分を通って、出口を通って大気へ出るように誘導し、それによって圧縮器ハウジングと回転圧縮器シャフトとの間のプロセスガスの排出を抑制するように構成された単一の分離ガス供給サブシステムとを有する。
2019519742.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
静止圧縮器ハウジングと回転圧縮器シャフトとの間で、プロセスガスの排出を抑制するように構成された圧縮器のための、タンデム非接触式の、ドライガスによるメカニカルシールシステムであって、
第１の回転リングおよび第１の静止リングを含む第１段のシールであって、前記第１の回転リングは、前記圧縮器シャフトに動作可能に結合され、前記第１の静止リングは、前記圧縮器ハウジングに動作可能に結合された第１の付勢機構によって、前記第１の回転リングに向かって動作可能に付勢され、前記第１の回転リングが溝を画定し、前記溝が、前記第１の回転リングと前記第１の静止リングとの連動部分の間を通るガスを加圧して、前記第１の付勢機構の付勢力を部分的に妨げるように構成される、第１段のシールと、
第２の回転リングおよび第２の静止リングを含む第２段のシールであって、前記第２の回転リングは前記圧縮器シャフトに動作可能に結合され、前記第２の静止リングは、前記圧縮器ハウジングに動作可能に結合された第２の付勢機構によって、前記第２の回転リングに向かって動作可能に付勢され、前記第２の回転リングと前記第２の静止リングとの連動部分が、前記連動部分間を通るガスを加圧して前記第２の付勢機構の付勢力を部分的に妨げるように構成される、第２段のシールと、
分離ガスの供給を誘導するように構成された単一の分離ガス供給サブシステムであって、前記分離ガスを、入口から前記第１段のシールの連動部分を通ってプロセスキャビティ内へ誘導し、かつ前記入口から前記第２段のシールの前記連動部分を通って、出口を通って大気へ出るようにする、単一の分離ガス供給サブシステムとを備える、メカニカルシールシステム。
【請求項２】
前記単一の分離ガス供給サブシステムが単一の入口を含む、請求項１に記載のメカニカルシールシステム。
【請求項３】
前記単一の分離ガス供給サブシステムが導管を含み、前記導管が、前記単一の入口から前記第１段のシールの連動部分へ進む、請求項１に記載のメカニカルシールシステム。
【請求項４】
前記単一の分離ガス供給サブシステムが導管を含み、前記導管が、前記単一の入口から前記第１段のシールの連動部分へ進んで、前記プロセスキャビティへ進む、請求項１に記載のメカニカルシールシステム。
【請求項５】
前記単一の分離ガス供給サブシステムが導管を含み、前記導管が、前記単一の入口から前記第２段のシールの連動部分へ進む、請求項１に記載のメカニカルシールシステム。
【請求項６】
前記単一の分離ガス供給サブシステムが導管を含み、前記導管が、前記単一の入口から前記第２段のシールの連動部分へ進んで出口へ進む、請求項１に記載のメカニカルシールシステム。
【請求項７】
前記分離ガスの供給が、高密度ガスである、請求項１に記載のメカニカルシールシステム。
【請求項８】
前記高密度ガスが、窒素、二酸化炭素、空気、およびこれらの組合せのうちの１つである、請求項７に記載のメカニカルシールシステム。
【請求項９】
前記高密度ガスが、前記プロセスキャビティ内の圧力を上回る圧力に加圧される、請求項７に記載のメカニカルシールシステム。
【請求項１０】
静止圧縮器ハウジングと回転圧縮器シャフトとの間で、プロセスガスの排出を抑制するように構成された圧縮器のための、非接触式の、ドライガスによる、メカニカルシールシステムであって、
回転リングおよび静止リングを含むメカニカルシールであって、前記回転リングは、前記圧縮器シャフトに動作可能に結合され、前記静止リングは、前記圧縮器ハウジングに動作可能に結合された付勢機構によって、前記第１の回転リングに向かって動作可能に付勢され、前記回転リングが溝を画定し、前記溝が、前記回転リングおよび前記静止リングの連動部分間を通るガスを加圧して、前記付勢機構の付勢力を部分的に妨げるように構成される、メカニカルシールと、
分離ガスの供給を入口から、前記メカニカルシールの連動部分を通って、プロセスキャビティ内へ誘導するように構成された、分離ガス供給サブシステムとを備える、メカニカルシールシステム。
【請求項１１】
前記メカニカルシールシステムは、第２の回転リングおよび第２の静止リングを含む第２のメカニカルシールをさらに含み、前記第２の回転リングは、前記圧縮器シャフトに動作可能に結合され、前記第２の静止リングは、前記圧縮器ハウジングに動作可能に結合された第２の付勢機構によって、前記第２の回転リングに向かって動作可能に付勢され、前記第２の回転リングおよび前記第２の静止リングの連動部分が、前記連動部分間を通るガスを加圧して前記第２の付勢機構の付勢力を部分的に妨げるように構成され、前記分離ガス供給サブシステムが、前記分離ガスの供給を前記入口から、第２のメカニカルシールの前記連動部分を通って、出口を通って大気へ出るように誘導するように構成される、請求項１０に記載のメカニカルシールシステム。
【請求項１２】
前記分離ガス供給サブシステムが、単一の入口を含む、請求項１０に記載のメカニカルシールシステム。
【請求項１３】
前記分離ガスの供給が、高密度ガスである、請求項１０に記載のメカニカルシールシステム。
【請求項１４】
前記高密度ガスが、窒素、二酸化炭素、空気、およびこれらの組合せのうちの１つである、請求項１３に記載のメカニカルシールシステム。
【請求項１５】
前記高密度ガスが、前記プロセスキャビティ内の圧力を上回る圧力に加圧される、請求項１３に記載のメカニカルシールシステム。
【請求項１６】
メカニカルシールシステムによって、静止圧縮器ハウジングと回転圧縮器シャフトとの間で、プロセスガスの排出を抑制する方法であって、
第１段のシール、第２段のシール、および単一の分離ガス供給サブシステムを含む、メカニカルシールシステムを提供するステップであって、前記第１段のシールは、第１の回転リングおよび第１の静止リングを含み、前記第１の回転リングは、前記圧縮器シャフトに動作可能に結合され、前記第１の静止リングは、前記圧縮器ハウジングに動作可能に結合された第１の付勢機構によって、前記第１の回転リングに向かって動作可能に付勢され、前記第１の回転リングが溝を画定し、前記溝は、前記第１の回転リングおよび前記第１の静止リングの連動部分間を通るガスを加圧して、前記第１の付勢機構の付勢力を部分的に妨げるように構成され、前記第２段のシールは、第２の回転リングおよび第２の静止リングを含み、前記第２の回転リングは、前記圧縮器シャフトに動作可能に結合され、前記第２の静止リングは、前記圧縮器ハウジングに動作可能に結合された第２の付勢機構によって、前記第２の回転リングに向かって動作可能に付勢され、前記第２の回転リングおよび前記第２の静止リングの連動部分が、前記連動部分間を通るガスを加圧して前記第２の付勢機構の付勢力を部分的に妨げるように構成される、メカニカルシールシステムを提供するステップと、
前記分離ガス供給サブシステムの単一の入口を通って、分離ガスの供給を誘導するステップと、
第１の部分が前記第１段のシールの前記連動部分を通過し、第２の部分が前記第２段のシールの前記連動部分を通過するように、前記分離ガスの供給を分流するステップと、
前記圧縮器ハウジングのプロセスキャビティ内へ、前記分離ガスの供給の前記第１の部分を放出してプロセスガスと混和するステップであって、それによって前記圧縮器ハウジングと前記回転圧縮器シャフトとの間のプロセスガスの排出を抑制する、ステップとを含む方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
（関連出願）
本出願は、内容が参照により本明細書に組み込まれている、２０１６年６月１０日出願の米国仮特許出願第６２／３４８，５５１号の利益を主張する。
【０００２】
本開示は、メカニカルシールに関し、より詳細には、回転構成要素のための非接触式のガス潤滑シールに関する。
【背景技術】
【０００３】
石油化学産業では、天然ガスパイプラインに沿って間隔をあけて遠心圧縮器を配置して処理のためにガス圧力を上げ、伝送パイプラインに沿って流動損失の影響を打ち消し、全体としてガスがその目的地に向かって動くように維持することができる。これらの圧縮器は、石油化学プロセスにおいて、上流（探査および生産中）、中流（処理、貯蔵、および輸送中）、または下流（天然ガス／および石油化学精製、伝送、および分配中）で使用することができる。これらの遠心圧縮器はまた、他の流体を輸送するために使用することもできる。
【０００４】
天然ガスまたは他の流体を動かすために、遠心圧縮器は、成形ハウジング内で回転ディスクまたはインペラを使用し、ガスをインペラの縁へ押しやり、それによってガスの速度を増大させる。拡散器（分岐ダクト）が、速度エネルギーを圧力エネルギーに変換する。
【０００５】
回転構成要素に対する摩擦摩耗を低減させながら、遠心分離または処理ガスの漏れを防止するために、ドライガスシールを使用することができる。大気中への処理ガスの漏れをさらに抑制するために、いくつかの遠心圧縮器は、タンデム式に機能する１対のドライガスシールを含むことができる。そのようなメカニカルシールシステムの一例は、内容が参照により本明細書に組み込まれている、米国特許第８，６５１，８０１号に記載されている。
【０００６】
図１を参照すると、’８０１特許のタンデム非接触式ドライガスシール配置１００の部分横断面図が示されている。シール配置１００の少なくとも一部分は、回転圧縮器シャフト１０２と圧縮器ハウジング１０４との間に位置決めされる。回転圧縮器シャフト１０２は、圧縮器のプロセスキャビティ１０６内に配置された圧縮器インペラ（図示せず）に動作可能に結合され、ハウジング１０４のベアリングキャビティ１０８内に配置されたベアリング（図示せず）を介してハウジング１０４によって支持される。圧縮器ハウジング１０４内に形成された内腔１１０が、プロセスキャビティ１０６とベアリングキャビティ１０８との間に延び、環状シールチャンバ１１２を画定する。シュラウドまたはラビリンスシール１１４が、回転圧縮器シャフト１０２と圧縮器ハウジング１０４との間に形成された径方向に延びる開口を覆って延び、プロセスキャビティ１０６から内腔１１０へのプロセスガスの自由な流れを抑制する。
【０００７】
プロセスキャビティ１０６内に存在するプロセスガスは、６５００ｐｓｉｇ（４５０バールｇ）の圧力に到達することができ、第１段（第１ステージ）のシール１１６および第２段（第２ステージ）のシール１１８によってベアリングキャビティ１０８および大気または周囲環境から封止される。第１段のシール１１６は、スリーブ１２２を介して回転圧縮器シャフト１０２に動作可能に結合された回転リング１２０（あるいは嵌合リングと呼ばれる）を含む。回転リング１２０は径方向シール面１２４を画定し、径方向シール面１２４は、非回転または静止リング１２８（あるいは１次リングと呼ばれる）の径方向シール面１２６と相対的に回転可能な封止関係にある。静止リング１２８は、付勢ばね１３０およびばねキャリアリング１３２を介して圧縮器ハウジング１０４に動作可能に結合され、それによって回転リング１２０に対する静止リング１２８の軸方向の動きを可能にし、回転シール面１２４と静止シール面１２６との間の間隙幅の寸法変化を可能にする。概して、ばねキャリアリング１３２内の付勢ばね１３０は、静止リング１２８を回転リング１２０に向かって付勢する。シール面１２４、１２６間に導入される加圧ガスは、付勢ばね１３０を妨げる力を加えて、シール面１２４、１２６間の間隙幅を増大させ、効果的な封止を可能にしながら、シール面１２４、１２６の摩擦摩耗を抑制して耐久性を高める。第２段のシール１１８も同様に構築される。
【０００８】
動作中、「封止ガス」と呼ばれる分流されたプロセスガスの流れが、第１段のシール１１６に提供される。分流されたプロセスガスは、概して、たとえば第１段のシール１１６への送達前にプロセスガスを加熱および／または乾燥して蒸気粒子および液体を除去することによって、ガス調整ユニット（図示せず）内で濾過および処理される。適切に調整された後、封止ガスは、通常はプロセスキャビティ１０６内でプロセスガスの圧力以上に加圧されており、入口１３４を通ってチャンバ１３６に入り、第１段のシール１１６を通ってチャンバ１３８に入り、出口１４０を通って外へ出る。加えて、差圧のため、封止ガスの一部分は、典型的には、ラビリンスシール１１４を越えてプロセスキャビティ１０６に入り、したがって濾過されていない未処理のプロセスガスが環状シールチャンバ１１２に入るのを防止する方向にガス流を生じさせる。
【０００９】
同様に、典型的には窒素（Ｎ２）などの不活性ガスである「障壁ガス」が、第２段のシール１１８へ提供される。障壁ガスは、通常はチャンバ１３８内のガスの圧力よりわずかに高い圧力に加圧されており、入口１４２を通ってチャンバ１４４に入り、第２段のシール１１８を通ってチャンバ１４６に入り、出口１４８を通って外へ出る。加えて、障壁ガスの一部分は、チャンバ１４４からチャンバ１３８へ流れ、出口１４０を通って封止ガスとともに外へ出る。
【００１０】
いくつかのシール配置では、環状シールチャンバ１１２をベアリングチャンバ１０８内のオイルから分離するように、「分離ガスシール」と呼ばれる追加のガスシール１５０を構成することができる。分離ガスは、入口１５２、分離ガスシール１５０を通ってチャンバ１４６に入り、出口１４８を通って外へ出る。
【００１１】
濾過および処理されたプロセスガス（封止ガス）のこの流れ部分は、場合により主としてメタンからなる天然ガスであり、出口１４０を通って放出され、多くの場合、その一部分が大気へ直接運ばれる。この漏れは、典型的には１つの遠心圧縮器当たり約８標準立方フィート／分（ＳＣＦＭ）であり、業界では許容できる量であると見なされている。
【００１２】
メタン（ＣＨ４）は、気候変動に悪影響を及ぼすことが示されている温室効果ガスである。近年、天然ガス資源の利用可能性は増大しているが天然ガス分配システムは老朽化しているため、大気へのメタン排出レベルの上昇が確認されている。現在、メタン漏れの２０％が天然ガス分配システム内で生じていると推定される。遠心圧縮器の漏れは、天然ガス分配システムにおけるメタン排出の最も大きい原因のうちの１つである。いくつかの推定によれば、圧縮器の排出は、１年当たり施設ごとに約５００メートルトンのメタン漏れの原因となっている。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
多数の遠心圧縮器構成要素の高価な交換を必要とすることなく、大気への天然ガスまたは他のプロセスガスの排出をさらに低減させるシステムが、天然ガス産業で現在使用されている従来のシステムとは異なる利点を提供するはずである。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
本開示の実施形態は、ドライガスによるシールシステムを提供し、このドライガスによるシールシステムは、ドライガスによるシールシステムの圧縮器ハウジングと回転圧縮器シャフトとの間のプロセスガス漏れの排出をほぼゼロのレベルまで最小にする目的で、分離ガスを上流へ汲み上げてプロセスチャンバに入れ、それによって第１のシールの段においてガスの通常の流れを逆方向にするように構成される。ドライガスによるシールシステムは、調整されたメタンまたは他のプロセスガスの代わりに、低圧のクリーン不活性ガスを利用する。第１段のシールの溝付き回転リングの回転によって、不活性ガスは、プロセスガスの圧力より高い圧力に加圧され、それによってプロセスガス内への不活性ガスの流れを可能にし、したがってプロセスガスは、ほとんどまたは全く大気または周囲環境へ放出したり漏れたりしない。したがって、本開示の実施形態は、メタン発生損失を減少させる働きをするより環境に優しい遠心圧縮器シールシステムを提供する。
【００１５】
本開示の一実施形態は、静止圧縮器ハウジングと回転圧縮器シャフトとの間で、プロセスガスの排出を抑制するように構成された圧縮器のための、タンデム非接触式のドライガスによるメカニカルシールシステムを提供する。このメカニカルシールシステムは、第１段のシール、第２段のシール、および単一の分離ガス供給サブシステムを含むことができる。第１段のシールは、圧縮器シャフトに動作可能に結合された第１の回転リングと、圧縮器ハウジングに動作可能に結合された第１の付勢機構によって、第１の回転リングに向かって動作可能に付勢される第１の静止リングとを含むことができる。第１の回転リングは、第１の回転リングおよび第１の静止リングの連動部分間を通るガスを加圧して第１の付勢機構の付勢力を部分的に妨げるように構成された螺旋状の溝を画定することができる。第２段のシールは、圧縮器シャフトに動作可能に結合された第２の回転リングと、圧縮器ハウジングに動作可能に結合された第２の付勢機構によって、第２の回転リングに向かって動作可能に付勢される第２の静止リングとを含むことができる。第２の回転リングおよび第２の静止リングの連動部分は、連動部分間を通るガスを加圧して第２の付勢機構の付勢力を部分的に妨げるように構成することができる。単一の分離ガス供給サブシステムは、分離ガスの供給を入口から第１段のシールの連動部分を通ってプロセスキャビティ内へ誘導し、入口から第２段のシールの連動部分を通って、出口を通って大気へ出るように誘導し、それによって圧縮器ハウジングと回転圧縮器シャフトとの間のプロセスガスの排出を抑制するように構成することができる。
【００１６】
本開示の別の実施形態は、静止圧縮器ハウジングと回転圧縮器との間で、プロセスガスの排出を抑制するように構成された圧縮器のための、非接触式でドライガスによるメカニカルシールシステムを提供する。メカニカルシールシステムは、メカニカルシールおよび分離ガス供給サブシステムを含むことができる。メカニカルシールは、圧縮器シャフトに動作可能に結合された回転リングと、圧縮器ハウジングに動作可能に結合された付勢機構によって、第１の回転リングに向かって動作可能に付勢される静止リングとを含むことができる。回転リングは、溝を画定することができ、溝は、回転リングおよび静止リングの連動部分間を通るガスを加圧して、付勢機構の付勢力を部分的に妨げるように構成される。分離ガス供給サブシステムは、分離ガスの供給を入口からメカニカルシールの連動部分を通ってプロセスキャビティ内へ誘導するように構成することができる。
【００１７】
本開示の別の実施形態は、メカニカルシールシステムによって、静止圧縮器ハウジングと回転圧縮器シャフトとの間で、プロセスガスの排出を抑制する方法を提供する。この方法は、
第１段のシール、第２段のシール、および単一の分離ガス供給サブシステムを有するメカニカルシールシステムを提供するステップであって、第１段のシールは、圧縮器シャフトに動作可能に結合された第１の回転リング、および圧縮器ハウジングに動作可能に結合された第１の付勢機構によって、第１の回転リングに向かって動作可能に付勢される第１の静止リングを含み、第１の回転リングが螺旋状の溝を画定し、溝が、第１の回転リングおよび第１の静止リングの連動部分間を通るガスを加圧して第１の付勢機構の付勢力を部分的に妨げるように構成され、第２段のシールは、圧縮器シャフトに動作可能に結合された第２の回転リング、および圧縮器ハウジングに動作可能に結合された第２の付勢機構によって、第２の回転リングに向かって、動作可能に付勢される第２の静止リングを含み、第２の回転リングおよび第２の静止リングの連動部分が、連動部分間を通るガスを加圧して第２の付勢機構の付勢力を部分的に妨げるように構成される、メカニカルシールシステムを提供するステップと、
分離ガス供給サブシステムの単一の入口を通って分離ガスの供給を誘導するステップと、
第１の部分が第１段のシールの連動部分を通過し、第２の部分が第２段のシールの連動部分を通過するように、分離ガスの供給を分流するステップと、
分離ガスの供給の第１の部分を圧縮器ハウジングのプロセスキャビティ内へ放出して（逃して）、プロセスガスと混和し、それによってプロセスガスの排出を抑制する、分離ガスの供給を放出するステップと、を含むことができる。
【００１８】
本開示の実施形態はまた、たとえば二酸化炭素の石油増進回収法（ＥＯＲ）による圧縮のために温室効果ガスが圧縮される他の産業分野で実施することができる。
【００１９】
上記の概要は、本開示のそれぞれの図示の実施形態またはすべての実装形態を説明することを意図するものではない。以下の図および詳細な説明は、これらの実施形態をより具体的に例示する。
【００２０】
本開示は、添付の図面に関連して本開示の様々な実施形態の以下の詳細な説明を考慮することで、より完全に理解することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】従来技術のタンデム非接触式のドライガスによるシール配置を示す部分横断面図である。
【図２】本開示の一実施形態によるタンデム非接触式のドライガスによるメカニカルシールシステムを示す部分横断面図である。
【図３Ａ】本開示の第１の実施形態による第１段のシールの回転リングの封止面を示す平面図である。
【図３Ｂ】封止面における圧力勾配が図示されている、図３Ａの回転リングの部分平面図である。
【図４Ａ】本開示の第２の実施形態による第１段のシールの回転リングの封止面を示す平面図である。
【図４Ｂ】封止面における圧力勾配が図示されている、図４Ａの回転リングの部分平面図である。
【図５】Ａ〜Ｄは本開示の一実施形態による第２段のシールの回転リングの封止面を示す平面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
本開示の実施形態は、様々な修正形態および代替形態に修正可能であるが、図面に例として示されている本開示の細部について詳細に説明する。しかしこの意図は、記載されている特定の実施形態に本開示を限定することではないことを理解されたい。逆に、この意図は、特許請求の範囲によって定義される主題の精神および範囲内に入るすべての修正形態、均等物、および代替形態を包含することである。
【００２３】
図２を参照すると、本開示の一実施形態によるタンデム非接触式のドライガスによるメカニカルシールシステム２００の部分横断面図が示されている。一実施形態では、メカニカルシールシステムは、回転圧縮器シャフト２０２と静止圧縮器ハウジング２０４との間に画定された空間内に少なくとも部分的に取り付けられる。回転圧縮器シャフト２０２は、メカニカルシールシステム２００のプロセスキャビティ２０６内に配置された圧縮器インペラ（図示せず）に動作可能に結合することができ、ハウジング２０４のベアリングキャビティ２０８内のベアリング（図示せず）を介してハウジング２０４によって支持することができる。ハウジング２０４内に形成された内腔（ボア）２１０が、プロセスキャビティ２０６とベアリングキャビティ２０８との間に延び、環状シールチャンバ２１２を画定する。プロセスキャビティ２０６内に存在するプロセスガスは、第１段のシール２１６および第２段のシール２１８によって、ベアリングキャビティ２０８および環境から封止することができる。２つのシールの段（ステージ）２１６、２１８を有するメカニカルシールシステム２００が図示および説明されているが、より多数または少数のシールの段も企図される。加えて、いくつかの実施形態では、シュラウドまたはラビリンスシールが、回転圧縮器シャフト２０２と圧縮器ハウジング２０４との間に形成された径方向の開口を覆って延びることができ、それによってプロセスキャビティ２０６から環状シールチャンバ２１２および環境内へのプロセスガスの自由な流れをさらに抑制することができる。
【００２４】
第１段のシール２１６および第２段のシール２１８は、回転圧縮器シャフト２０２に動作可能に結合された回転リング２２０、２２２を含むことができる。一実施形態では、回転リング２２０、２２２は、スリーブ部材２２４に動作可能に結合され、スリーブ部材２２４は、回転圧縮器シャフト２０２に動作可能に結合される。スリーブ部材２２４は、回転リング２２０の一部分を保持するように構成された第１のフランジ構造２２６と、回転リング２２２の一部分を保持するように構成された第２のフランジ構造２２８とを含むことができる。一実施形態では、第２のフランジ構造２２８は、スリーブ部材２２４とは独立して形成され、したがって第２のフランジ構造２２８は、スリーブ部材２２４に対して軸線方向に摺動することができる。一実施形態では、回転リング２２０、第２のフランジ構造２２８、および回転リング２２２をそれらの所望の位置で保持することを支援するために、スリーブ部材２２４に沿って環状部材２３０および２３２を位置決めすることができる。したがって、スリーブ部材２２４、第１のフランジ構造２２６、第２のフランジ構造２２８、環状部材２３０、環状部材２３２、回転リング２２０、および回転リング２２２は、集合的に回転部材と呼ばれ、圧縮器シャフト２０２とともに回転する。
【００２５】
第１段のシール２１６および第２段のシール２１８はまた、圧縮器ハウジング２０４に動作可能に結合された静止リング２３４、２３６を含むことができる。一実施形態では、静止リング２３４の一部分を保持するように構成された第１のキャリアリング２３８を、第１の付勢機構２４６を介して第１の環状部材２４２に動作可能に結合することができ、一実施形態では、第１の付勢機構２４６は、ばねアセンブリ（図２に示す）とすることができる。静止リング２３６の一部分を保持するように構成された第２のキャリアリング２４０を、第２の付勢機構２４８を介して第２の環状部材２４４に動作可能に結合することができ、一実施形態では、第２の付勢機構２４８は、ばねアセンブリ（図２に示す）とすることができる。したがって、第１のキャリアリング２３８、第２のキャリアリング２４０、第１の環状部材２４２、第２の環状部材２４４、第１の付勢機構２４６、第２の付勢機構２４８、静止リング２３４、および静止リング２３６は、集合的に非回転または静止部材と呼ばれ、圧縮器ハウジング２０４に対するそれらの位置を維持する。
【００２６】
回転部材と静止部材との間に流体経路を画定することができ、この流体経路を通って障壁ガスが流れることができる（図２に一連の矢印によって示す）。障壁ガスは、二酸化炭素（ＣＯ２）、窒素（Ｎ２）、空気、または他のガスなどの任意の適当に高密度のガスとすることができる。障壁ガスは、障壁ガス入口２５０を介して流体経路内へ導入することができる。その後、障壁ガスは、導管２５２を通ってチャンバ２５４内へ流れることができ、チャンバ２５４内で第１の障壁ガス流および第２の障壁ガス流に分割することができる。第１の障壁ガス流は、導管２５６を通って第１段のシール２１６へ流れることができる。第２の障壁ガス流は、導管２５８を通って第２段のシール２１８へ流れることができる。
【００２７】
第１段のシール２１６の回転リング２２０および静止リング２３４は、それぞれの回転径方向シール面２６０および静止径方向シール面２６２を含むことができる。回転径方向シール面２６０は、静止径方向シール面２６２に隣接して位置決めすることができ、したがって面２６０、２６２は、メカニカルシールシステム２００が動作していないときに当接接触し、メカニカルシール２００が動作しているとき、面２６０、２６２間には、ガスの通過を可能にする狭い自己調整間隙（典型的には幅１〜３μｍ）が画定される。第１のキャリアリング２３８および第１の付勢機構２４６は、圧縮器ハウジング２０４に対する静止リング２３４の軸方向の動きを可能にし、回転シール面２６０と静止シール面２６２との間の間隙幅の寸法変化を可能にするように構成することができる。一実施形態では、第１の付勢機構２４６は、静止リング２３４を回転リング２２０に向かって付勢する。シール面２６０、２６２間に導入される加圧ガスは、第１の付勢機構２４６の付勢を妨げる（打ち消す、和らげる）力を加えて、シール面２６０、２６２間の間隙幅を増大させ、効果的な封止を可能にしながら、シール面２６０、２６２の摩擦摩耗を抑制して耐久性を高める。
【００２８】
図３Ａ〜４Ｂを参照すると、本開示による回転リング２２０の実施形態が示されている。一実施形態では、封止面２６０の内側部分に溝付き領域２６４が設けられ、したがって面２６０および２６２間に障壁ガスが流れることができ、第１の付勢機構２４６による回転シール面２６０に向かう静止径方向シール面２６２の付勢に抵抗するのに十分な障壁ガス圧力を、面２６０、２６２間の間隙内で維持することができ、それによって障壁ガスクッションを生じさせて、シール面２６０、２６２を潤滑し、封止を可能にすることができる。一実施形態では、シール面２６０、２６２の１つまたは複数の溝付き領域は、第１段のシール２１６の内径から第１段のシール２１６の環状の外径への分離ガスの流れを促進するように構成される（図２に示す）。特に、溝２６６は、加圧ガスが内径２６７から溝に入った場合／ときに回転リングが最高回転速度に到達する前に少なくとも部分的に面２６０、２６２間の分離を引き起こすために、回転リング２２０の内径２６７に対して開いて静水リフトを可能にするように画定することができる。一実施形態では、溝付き領域２６４の溝２６６は、回転リング２２０が回転しているときに封止面２６０において圧力勾配を生じさせるように構成された螺旋形状を画定することができる（図３Ｂおよび図４Ｂに示す）。したがって、特別な形状の螺旋溝２６６との流体相互作用を介して、回転圧縮器シャフト２０２のわずかな量の運動エネルギーを使用して、障壁ガスの流体圧力を上げることができ、それによって動水リフトを可能にし、それによって面２６０、２６２間の分離を維持することができる。他の実施形態では、溝付き領域２６４の他の構成も企図される。別の実施形態では、溝付き領域２６４は、静止リング２３４上に位置することができる。
【００２９】
図５Ａ〜Ｄを参照すると、本開示による第２段のシール２１８の回転リング２２２の実施形態が示されている。第２段のシール２１８の回転リング２２２および静止リング２３６は、それぞれの回転径方向シール面２６８および静止径方向シール面２７０を含むことができる。回転径方向シール面２６８は、静止径方向シール面２７０に隣接して位置決めすることができ、したがって面２６８、２７０は、メカニカルシールシステム２００が動作していないときに当接接触し、メカニカルシール２００が動作しているとき、面２６８、２７０間には、ガスの通過を可能にする狭い間隙が画定される。第２のキャリアリング２４０および第２の付勢機構２４８は、圧縮器ハウジング２０４に対する静止リング２３６の軸方向の動きを可能にし、回転シール面２６８と静止シール面２７０との間の間隙幅の寸法変化を可能にするように構成することができる。一実施形態では、第２の付勢機構２４８は、静止リング２３６を回転リング２２２に向かって付勢する。シール面２６８、２７０の間に導入される加圧ガスは、第２の付勢機構２４８の付勢を妨げる力を加えて、シール面２６８、２７０間の間隙幅を増大させ、効果的な封止を可能にしながら、シール面２６８、２７０の摩擦摩耗を抑制して耐久性を高める。
【００３０】
一実施形態では、シール面２６８、２７０の一方または両方が、圧力生成能力を高めてシール面２６８、２７０間の障壁ガスの流れを改善するように構成された溝付き領域２７１を含むことができる。溝付き領域２７１の溝２７３は、内容が参照により本明細書に組み込まれている、米国特許第４，２１２，４７５号および第６，６５５，６９３号に記載されている溝などのように、螺旋または矢の形状を画定することができる。一実施形態では、シール面２６８、２７０の１つまたは複数の溝付き領域２７１は、第２段のシール２１８の環状の外径から第２段のシール２１８の内径へのガスの流れを促進するように構成される（図２に示す）。他の実施形態では、シール面２６８、２７０の１つまたは複数の溝付き領域２７１は、分離ガスの流れをいずれの方向にも可能にするように構成することができる。
【００３１】
第１段のシール２１６を通過した後、第１の障壁ガス流は、チャンバ２７２およびプロセスキャビティ２０６内へ流れることができる。加えて、第２段のシール２１８を通過した後、第２の障壁ガス流は、導管２７４、チャンバ２７６、導管２７８内へ流れ、障壁ガス出口２８０を通って圧縮器ハウジング２０４から出ることができ、それによってプロセスガスと混和および／または混合することができる。一実施形態では、障壁ガスを収集および／または再調整することができ、それによって閉ループを生じさせて障壁ガスの追加の供給に対する必要を低減させることができる。他の実施形態では、障壁ガスは、大気へ逃すことができ、かつ／または圧縮器シャフト２０２の回転を動かす燃焼モータに対する燃料混合物内へ圧縮空気として導入することができる。
【００３２】
動作の際、障壁ガスの流れは、プロセスキャビティ２０６内のガスの圧力より低い相対圧力で、たとえば１０〜５０バールの圧力で、障壁ガス入口２５０を介して圧縮器ハウジング２０４内へ導入される。障壁ガスは、導管２５２に沿って流れ、チャンバ２５４に入り、チャンバ２５４内で第１の障壁ガス流および第２の障壁ガス流に分離される。第１の障壁ガス流は、導管２５６に沿って第１段のシール２１６に向かって進み、第２の障壁ガス流は、導管２５８に沿って第２段のシール２１８に向かって進む。
【００３３】
圧縮器シャフト２０２が回転しているとき、第１段のシール２１６のそれぞれの溝２６６および第２段のシール２１８の溝２７３は、圧力勾配を生じさせ、障壁ガス入口２５０からそれぞれの第１段のシール２１６および第２段のシール２１８への障壁ガスの流れを促す。しかし、障壁ガスの相対圧力がプロセスキャビティ２０６内のガスより低いため、１つまたは複数の追加のステップをとって、第１段のシール２１６の両側の圧力を等しくし、かつ／または人為的な静水リフトを提供することができ、第１の回転リング２２０が境界間隙を維持することができる回転速度に到達するまで、封止面２６０、２６２間の最初の間隙を提供することができる。たとえば、一実施形態では、障壁ガス入口２５０を少なくとも部分的に閉鎖または阻止して、プロセスガスが第１のシール２１６を通って漏れることを可能にすることができ、それによって導管２５６内の圧力を上昇させて、第１段のシール２１６における圧力勾配を減少させることができる。別の実施形態では、メカニカルシールシステム２００は、導管２５６内へのプロセスガスの流れを可能にし、第１段のシール２１６における圧力勾配を減少させるように構成された圧力平衡ライン２８１を含むことができる。さらに別の実施形態では、メカニカルシールシステム２００は、第１段のシール２１６のシール面２６０、２６２間の機械的分離を生じさせ、それによって最初の静水リフトを人為的に提供するように構成されたアクチュエータを含むことができる（内容が参照により本明細書に組み込まれている、２０１７年５月１５日出願の米国特許出願第６２／５０６，１９６号に開示されている）。第１の回転リング２２０が境界間隙を維持することができる回転速度に到達し、障壁ガス入口２５０が開放され、圧力平衡ライン２８１が閉鎖され、かつ／またはアクチュエータの電源が切断されるまで、プロセスガスの漏れを最小にすることができる。メカニカルシールシステム２００内にプロセスガスを含むことによって、漏れを最小にすることができ、したがって導管２５６に入るプロセスガスは、第１段のシール２１６を通ってプロセスチャンバ２０６内へ逆方向に流れる。
【００３４】
第１の障壁ガス流が第１段のシール２１６の径方向シール面２６０、２６２を通過するとき、プロセスキャビティ２０６内のガスの圧力に到達しまたはそれを超過するまで、圧力が増大する。シール面２６０、２６２を通る障壁ガスの流れは、シール面２６０、２６２間にクッションを提供し、それによって第１段のシール２１６を潤滑し、シール面２６０、２６２間の接触を抑制する。障壁ガスは、プロセスキャビティ２０６内のガスの圧力を超過する圧力に加圧されるため、第１の障壁ガス流は、プロセスキャビティ２０６内へ進み、それによってプロセスキャビティ２０６内のプロセスガスと混合する。したがって、プロセスキャビティ２０６内への障壁ガスの流れは、プロセスガスが通常はプロセスチャンバ２０６から第１段のシール２１６を通って大気へ流れるはずの従来のドライガスによるシール配置における流れ方向の逆に相当する。
【００３５】
第２の障壁ガス流が第２段のシール２１８の径方向シール面２６８、２７０を通過するとき、障壁ガスの圧力が増大し、シール面２６８、２７０間に潤滑クッションを提供する。シール面２６８、２７０間を通った後、第２の障壁ガス流は、導管２７４に沿ってチャンバ２７６に入り、導管２７８に沿って進み、障壁ガス出口２８０を介して圧縮器ハウジング２０４から出る。障壁ガス出口２８０で、第２の障壁ガス流を大気へ逃し、再び分離ガス供給内へ再循環させ、または圧縮器を動かす燃料ガスと混合することができる。したがって、第２段のシール２１８を通る障壁ガスの流れは、第１段のシール２１８に障害が生じた場合の予備として働く。
【００３６】
障壁ガスが第１段のシール２１６を通ってプロセスキャビティ２０６内へ上流に流れることで、多数の利点が提供される。特に、プロセスガスが障壁ガスとして使用されないため、適切な潤滑を可能にして腐食を抑制するためにプロセスガスから湿気および汚染物質を除去する働きをするガス調整ユニットが不要になる。加えて、プロセスガスは、第１の障壁ガス流の圧力によってプロセスチャンバ２０６内へ逆方向に押され、したがってプロセスガスが周囲環境へ逃れるのを抑制する。したがって、本開示の実施形態は、メタン発生損失を減少させるより環境に優しいメカニカルシールシステム２００を提供する。多数の他の利点も当業者には明らかであろう。
【００３７】
本教示の方法で使用される個々のステップは、本教示が動作可能である限り、任意の順序でかつ／または同時に実行することができることを理解されたい。さらに、本教示の装置および方法は、本教示が動作可能である限り、記載する実施形態のうちの任意の数またはすべてを含むことができることを理解されたい。
【００３８】
システム、デバイス、および方法の様々な実施形態について、本明細書に記載した。これらの実施形態は、例示のみを目的として与えられるものであり、本発明の特許請求の範囲を限定することを意図するものではない。さらに、記載した実施形態の様々な特徴を様々な形で組み合わせて、多数の追加の実施形態を得ることができることを理解されたい。さらに、開示する実施形態で使用するために、様々な材料、寸法、形状、構成、および位置などについて記載したが、本発明の特許請求の範囲を超過することなく、開示したもの以外を利用することができる。
【００３９】
本発明の主題は、上記の任意の個々の実施形態に示されているものより少ない特徴を含むことができることが、当業者には理解されよう。本明細書に記載する実施形態は、本発明の主題の様々な特徴を組み合わせることができる方法の排他的な提示であることを意味するものではない。したがって、これらの実施形態は、特徴の相互に排他的な組合せではなく、むしろ様々な実施形態は、当業者には理解されるように、異なる個々の実施形態から選択される異なる個々の特徴の組合せを含むことができる。さらに、一実施形態に関して記載する要素は、別途記載されていない限り、そのような実施形態に記載されていないときでも、他の実施形態で実施することができる。
【００４０】
従属請求項は、特許請求の範囲において、１つまたは複数の他の請求項との特有の組合せを指すことがあるが、他の実施形態はまた、この従属請求項と他の各従属請求項の主題との組合せ、または１つもしくは複数の特徴と他の従属請求項もしくは独立請求項との組合せを含むことができる。そのような組合せは、特有の組合せを意図しないことが記載されていない限り、本明細書に提案される。
【００４１】
上記の文献の参照によるあらゆる組込みは、本明細書の明示的な開示に矛盾する主題が組み込まれないように限定される。上記の文献の参照によるあらゆる組込みは、これらの文献内に含まれる特許請求の範囲が、参照により本明細書に組み込まれないようにさらに限定される。上記の文献の参照によるあらゆる組込みは、これらの文献内に提供されるあらゆる定義が、本明細書に明示的に含まれない限り、参照により本明細書に組み込まれないようにさらに限定される。
【００４２】
特許請求の範囲を解釈する目的で、特許請求の範囲で「手段（ｍｅａｎｓ  ｆｏｒ）」または「ステップ（ｓｔｅｐ  ｆｏｒ）」という具体的な用語に言及しない限り、米国特許法第１１２条（ｆ）の規定が発動されないことが明示的に意図される。
【符号の説明】
【００４３】
２００  メカニカルシールシステム
２０２  回転圧縮器シャフト
２０４  静止圧縮器ハウジング
２０６  プロセスキャビティ、プロセスチャンバ
２０８  ベアリングキャビティ
２１０  内腔
２１２  環状シールチャンバ
２１６  第１段のシール
２１８  第２段のシール
２２０  回転リング
２２２  回転リング
２２４  スリーブ部材
２２６  第１のフランジ構造
２２８  第２のフランジ構造
２３０  環状部材
２３２  環状部材
２３４  静止リング
２３６  静止リング
２３８  第１のキャリアリング
２４０  第２のキャリアリング
２４２  第１の環状部材
２４４  第２の環状部材
２４６  第１の付勢機構
２４８  第２の付勢機構
２５０  障壁ガス入口
２５２  導管
２５４  チャンバ
２５６  導管
２５８  導管
２６０  回転径方向シール面
２６２  静止径方向シール面
２６４  溝付き領域
２６６  溝
２６７  内径
２６８  回転径方向シール面
２７０  静止径方向シール面
２７１  溝付き領域
２７２  チャンバ
２７３  溝
２７４  導管
２７６  チャンバ
２７８  導管
２８０  障壁ガス出口
２８１  圧力平衡ライン
【図１】
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【図２】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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【図５】
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【国際調査報告】
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